无人直升机安全性思考

2012-08-15阳再清刘关心

直升机技术 2012年3期

阳再清，刘关心

(中国人民解放军92419部队，辽宁兴城 125106)

0 引言

直升机作为一种通用的航空器，具有长时间空中悬停、垂直起降、低空低速飞行、机动灵活等优点，用途十分广泛。然而其强耦合、不稳定性及非线性控制技术一直是业界的研究难点和研究重点。直升机系统的特殊性、复杂性，自其诞生之日起就受到格外关注。

近年来，随着无人机技术的快速发展，无人直升机成为无人机技术研究的新宠，也成为直升机技术的前沿领域，越来越受到关注，其应用也越来越广泛。然而作为无人机技术和直升机技术相结合的产品，一开始就受到技术因素、安全因素、环境因素等的制约，成为热点、焦点和难点。特别是安全性问题，更是广大用户密切关注的问题，影响着无人直升机技术的发展。本文通过对美国直升机系统故障的统计与分析，结合无人直升机技术的特点，分析了无人直升机系统的主要安全隐患与原因，提出了提高安全性的主要措施，供设计、管理和使用者参考。

1 美国直升机故障分析

直升机本身的结构特点、使用条件和环境使得直升机的事故率远高于固定翼飞机，直升机的安全问题一直是人们密切关注和研究的内容。据统计，1996年～2000年美国民用直升机故障总数达934起，死亡283人，损失飞机159架。这些数字不可谓不惨重，然而对一个拥有近2万架民用直升机的国度而言，实在算不上高，甚至单从技术分析来看仍是高安全性的。但无论如何，我们都应放大这些数据的影响，作深入的技术分析。

美国国家运输安全委员会(NTSB)对这些事故作了详细统计、分析，提出了21种第一事故原因，主要有:发动机动力丧失、飞行中与物体相撞、失去控制、部件或系统失效、硬着陆、侧滚翻转/飞机颠覆、天气、螺旋桨/旋翼与人接触、起火/爆炸、突然机动、起落架损坏、机翼/吊舱/尾翼/滑撬等被物体挂住、下冲/过冲等等。研究发现，约有70%的事故与4种原因有关:发动机动力丧失、飞行中与物体相撞、失去控制、机身故障。

引起发动机动力丧失的原因，44%是燃油/空气混合物问题、20%是发动机结构失效。油/气混合问题的根源都是人为错误，使用者忽视了燃油要干净和油气比要适当的问题，因而造成事故。巡航阶段出现的动力丧失事故最多，其次是需要大推力的起飞和爬升阶段。

直升机飞行中因错误决定(如计划不当、缺乏训练、决策失误)、没有看见和避免与电线/电线杆、树、人造设施等相撞，造成旋翼或尾桨损坏，这类事故50%的是与电线/电线杆相撞后发生的。直升机向前飞行时容易发生旋翼与外物相撞，向后飞行时容易发生尾部旋翼与外物相撞。起飞和着陆阶段最常出现事故，其次是起飞前的滑行或悬停阶段，巡航阶段事故较少。

造成直升机失去控制主要有控制系统使用不当、旋翼每分钟转速(RPM)低、风、飞行控制系统故障等多种原因。对单旋翼直升机，飞行过程的反扭矩是发生失控事故的最大原因，悬停和起飞是最易发生失控事故的阶段。单发活塞发动机失去控制时大多RPM将降低，单发涡轴直升机失去偏航控制的比率比单发活塞高近2倍，但垂直方向的失控事故则少于单发活塞直升机。

机身故障中，76%是旋翼、尾桨故障，故障原因有疲劳、材料失效、安装与维护不当、缺少润滑等。巡航和机动阶段是事故多发阶段，持续低空飞行和障碍物距离近，速度低、受风的影响大，最易发生机身故障。发动机到旋翼变速箱的离合器和尾传动轴及主、尾桨叶是此类故障最常出的地方，疲劳是造成失效的最大原因。

1 无人直升机存在的主要安全隐患与原因

从直升机的故障分析不难看出，直升机系统固有的技术特性决定了某些故障发生的几率，但从设计和使用的角度仍能查找出一些故障发生的规律来，对无人直升机的设计、管理与使用有着十分有益的借鉴价值。分析无人直升机的技术特点和使用实际可以发现，控制软件缺陷、安全预警缺陷、机械疲劳、操管失误、环境影响是主要的安全隐患。

2.1 控制软件缺陷

这类隐患一般带有较大的隐蔽性。常见的控制软件缺陷有:模型不完备、算法不精确、门限设置不合理等。模型不完备主要表现在对各类扰动适应性不强、控制策略简单、边界条件控制不严格等。算法不精确主要表现在算法过于简单或过于繁琐不适于准确控制和快速响应的需要。门限设置不合理主要表现在关键参数选择不精准，易出现临界状态。

这类隐患的存在，一方面是由于直升机飞行控制的复杂性，控制软件的设计存在难题。从数学建模、控制算法到仿真验证、实际飞行，都难以将各种飞行模态完全展现出来，在研制的系统中极易存在缺陷。另一方面，设计者在软件工程控制上存在着认识不深刻、控制不严格、测试不全面的问题，特别是对无人直升机的技术特性考虑不全、不深、不透。由于缺陷的存在，一旦条件具备，必将出现故障。

2.2 安全预警缺陷

这类隐患主要是设计者对安全性考虑不足造成的。设计者对安全监控、容错控制等，从硬件到软件都不同程度地存在忽视现象。设计者往往会考虑关键部件、关键参数的实时检测、故障报警等安全措施，但对需要增加投入的飞行安全监视、安全冗余检测分析、扩大容错裕度等安全措施就难以实施，留下了安全隐患。

这类隐患存在的原因，第一是设计者安全理念缺失，仅把产品能够在空中正常飞行作为设计目标，而没有将安全飞行最为首要的目标。第二是忽视安全投入，确保安全是需要投入的，它的回报是没有故障，没有故障就不能体现投入的作用，而一旦有了故障再投入就没有意义了，这样看似悖论的推理，恰恰是设计者忽视安全投入的理由。第三对产品的功能理解不深，无人直升机是在无人操管的状态下完成任务的载体，其任务一般具有特殊性，出现安全问题影响大，必须有完备的安全措施。

2.3 机械疲劳

这类隐患是可靠性因素造成的。无人直升机系统易出现机械疲劳的主要是旋翼、起落架、尾桨、接插件等。机械疲劳是必然的可靠性事件，加之这些部件经常在高速、高频等恶劣环境下工作，更易造成疲劳损坏。设计者应给出明确的可靠性要求，使用者应严格按要求及时检测、更换。

这类隐患的存在，第一是由机械件的材质特性和使用条件决定的，任何一种材质的机械件都有使用寿命，超过使用期限必然会出现疲劳故障，使用条件不当会加速使用期限的到来，增加故障发生率;第二是人为因素导致的，这有设计者材质选择不当、强度适配不准、测试不严等不合理设计，有使用者违背使用条件、超期使用、超强度使用等不良使用。

2.4 操管失误

这类隐患来自于人为使用因素，常出现的失误有:燃油使用不合理、日常维护不到位、野蛮装卸、接插件连接错误、误发指令、错接电源等等，这些表现在使用者的错误，也暴露了设计的不足。

这类隐患的存在，主要是操管者不按要求使用、不按规程操作，凭经验、凭感觉、凭印象使用装备;其次是各类制度规定、操作细则等使用文件不具体、不明确、不严格，造成使用者模棱两可;再次就是人机设计不合理，操作、使用、维护过于繁琐，对使用技巧要求高，易出现误操作。

2.5 环境影响

环境影响主要有气象因素影响和飞行区域地理地貌的影响。在气象条件影响中，风的影响特别大，阵风、涡流、海面风等对无人直升机系统的飞行控制是极大的考验，极易给不稳定、非线性控制的系统造成毁灭性的后果，风是环境影响中最大的安全隐患，雾对低空和起降飞行影响也很大。飞行区域的地理地貌制约飞行，同时构成飞行的安全隐患，建筑物、通信塔、空中电线等都是低空飞行的致命隐患。

这类隐患的存在，一方面是设计者的控制模型、监测手段、安全措施等存在不足，不能满足复杂环境条件使用的要求;另一方面是使用者对使用环境条件把握不准，现场监测不够，飞行方案不合理。

3 提高无人直升机安全性的主要措施

提高无人直升机系统的安全性是一个复杂的系统工程，有人的认识问题、技术可行性问题、经费投入问题、使用者素质问题等等，涉及到管理者、设计者及使用者，涵盖装备的全寿命周期。在现阶段我们可以采取的主要措施有:

第一，提高安全性认识。从分析的安全隐患可以看出，无人直升机系统的特殊性决定了其飞行故障往往是毁灭性的，其影响远超过其它航空器，我们应把这一认识贯穿于管理过程、设计研制过程及使用过程，也只有使所有参与者都有了安全意识，无人直升机系统的安全性才能真正得到保证。

第二，强化控制系统设计。控制方式不同是有人机与无人机的主要差异，控制律的不同是直升机与固定翼飞机的重要差别，这些差异决定了无人直升机控制的特殊性。对于无人直升机系统，控制模式上要以自主控制为主，但遥控的优先级应最高;控制策略上要以实现典型任务剖面为主，但故障、应急、边界等的策略应充分设计;控制模型上要以达成稳定飞行的经典方法为主，但起降、恶劣气象等情况下飞行应采用自适应方法实现。

第三，加强安全性设计。安全性设计是确保安全的必要技术手段，设计是否有效需要使用来检验，只有安全性设计充分、可靠，才能确保使用安全。加强安全性设计，设计者需要明晰可能的隐患点、故障点，要厘清极端条件、非正常状态等的后果，在控制策略设计、状态监控配置、可靠度冗余等方面有针对性地采取措施。

第四，加大安全性投入。有投入才有产出，安全性投入一般较大而产出往往难以显现，因此一般在正常状态下加大安全性投入难，而认识到需要投入又往往太迟。加大安全性投入，一方面要在飞机平台上做到充分，适当的安全监控、设备冗余、容错处理等增加成本的投入应到位;另一方面要在配套建设上做到充足，必要的气象监测、任务区勘测、质量管理体系建设、训练器材等辅助投入应落实。

第五，培养合格的使用者。人始终是保证安全的决定性因素，没有合格的使用者就没有装备安全使用的基础，合格的使用者可以发现、消除不安全因素，避免事故发生。要培养合格的使用者，设计者就应熟悉使用者的要求，在人机友好设计、使用维护规程编制、模拟训练手段建设等方面下功夫;管理者就应掌握无人直升机管理特性，在人员选配、管理规章制定、配套条件建设等方面下功夫;使用者就应能熟练操管装备，在掌握基本知识与技能、规范基本流程与操作、熟悉安全预案与措施等方面下功夫，只有设计者、管理者、使用者紧密结合起来才能真正培养出合格的人才来。